专利名称：热界面材料及半导体封装结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热界面材料及半导体封装结构，特别是涉及一种以石墨烯与低熔点金属组成的热界面材料及具有所述热界面材料的半导体封装结构。
背景技术：
现有高阶半导体芯片(如逻辑运算芯片)或堆栈式的半导体芯片在运作时容易产生高温，因此其表面需要另外接合一散热片(heat sink)以提高整体散热效率。常见的固定散热片于芯片的方法是使用导热胶，然而其接合时导热胶厚度均一性控制不易，及内含的金属导热颗粒的导热性也较纯金属材质差。为符合高散热需求的半导体封装，近年来开始使用金属导热材料，例如铟(Indium)片，因为铟具有良好的热物性(Thermophysical property),以及绝佳的导热性及 延展性，可大幅提升导热效果，因此在具有高阶半导体芯片或堆栈式的半导体芯片的半导体组装构造上，已普遍开始使用纯铟作为热接合材料。铟片在使用上必须与具有镀金层的介质在经过特定温度使铟片表面熔融后，才能与镀金层形成金属键结，达到有效接合效果。然而，铟片在高温接合过程中，会因熔融态而具有流动性，而该铟片的流动意味着其无法有效黏合于该散热片，导热效果将大幅降低。此夕卜，四处流动的铟片亦可能造成半导体封装的内部芯片电性短路。再者，铟片的材料成本较闻。故，有必要提供一种热界面材料及其封装结构，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种热界面材料，其包含一石墨烯(Graphene)层及二低熔点金属层以组成一迭层形式的热界面材料结构，其具有高的平面性导热系数，有利于均匀导热或侧向导热，且能应用于半导体封装的散热领域。为达成本发明的前述目的，本发明一实施例提供一种热界面材料，其包含一石墨烯层及二低熔点金属层，所述二低熔点金属层以上下配置方式包覆着所述石墨烯层。本发明的另一目的在于提供一种半导体封装结构，芯片与散热板之间包含一热界面材料。所述热界面材料包含一石墨烯层及二低熔点金属层，通过高导热系数的石墨烯，使所述芯片与所述散热片之间的平面性热传导效率能提高，且成本相对于使用纯铟(Indium)作为热界面材料能更为降低。为达成本发明的前述目的，本发明一实施例提供一种具有热界面材料的半导体封装结构，所述半导体封装结构包含一基板、一芯片及一散热片。所述一芯片设于所述基板上，所述散热片设于所述芯片上。所述芯片与所述散热片之间包含一热界面材料，所述热界面材料包含一石墨烯层及二低熔点金属层，所述二低熔点金属层以上下配置方式包覆着所述石墨烯层。
图I是本发明ー实施例的热界面材料的侧剖视图。图2是本发明另ー实施例的热界面材料的侧剖视图。图3是本发明一实施例的具有热界面材料的半导体封装结构的侧剖视图。图4是本发明另ー实施例的具有热界面材料的半导体封装结构的侧剖视图。
具体实施例方式为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下请參照图I所示，图I是本发明ー实施例的热界面材料的侧剖视图。所述热界面材料60包含一石墨烯层61及ニ低熔点金属层62,所述低熔点金属层62以上下配置方式包覆着所述石墨烯层61。
石墨烯(Graphene)是ー种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有ー个碳原子厚度的ニ维材料。值得注意的是，石墨烯的ニ维xy平面方向的导热系数可高达5300W/mK，但其垂直于xy平面的z方向的导热系数则约为15W/mK，因此在ニ维xy平面方向上具有较佳的热传导性。然而，由于石墨烯的厚度极薄，单层的石墨烯仅有O. 35纳米(nm)，因此若要应用于半导体作为热界面使用，还需要搭配其它材质。在本实施例中即是以ー层石墨烯层61与ニ层低熔点金属层62来组成ー迭层形式的热界面结构。优选地，所述石墨烯层的厚度介于45微米(μπι)至100微米，例如45、50、60、70、80,90或100微米等；及所述低熔点金属层的厚度介于50微米至250微米，例如50、60、70或250微米等。再者，本实施例中的低熔点金属层62优选是一金属合金层，例如使用菲尔德合金(Field’ s alloy)，其熔点介于150°C至230°C。菲尔德合金，其组成可为铟-锡-镓合金、铟-锡-铋合金、铟-铋合金、铟-锡合金或铟-银合金，例如为21. 5In-16Sn-62. 5Ga、51In-16. 5Sn-32. 5Bi、66In-34Bi、52In_48Sn 或 97In_3Ag 等(数字部分表示重量百分比例)，上述合金可以再加入部份过渡金属，以调整熔点温度与热膨胀系数，所述过渡金属例如为锌(Zn)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、钛(Ti)、错(Zr)或铝(Al)等。值得注意的是，菲尔德合金在垂直于xy平面的z方向上具有较佳的热传导性。另外，在本发明中并不限定所述石墨烯层61与所述低熔点金属层62组成热界面材料60的具体数量，一石墨烯层61与ニ低熔点金属层62是基本的。然而，使用者可依实际需求来制作石墨烯层61与低熔点金属层62的迭层数量。如图2所示，图2是本发明另ー实施例的热界面材料的侧剖视图。所述热界面材料60包含ニ个石墨烯层61，及三个低熔点金属层62，所述低熔点金属层62设于最上层、最下层及中间层以包覆所述ニ石墨烯层61，形成一迭层构造。请參照图3所示，图3是本发明一实施例的具有热界面材料的半导体封装结构的侧剖视图。一种半导体封装结构包含一基板10、ー芯片20及一散热片30。所述芯片20设于所述基板10上；及所述散热片30设于所述芯片20上。另外，如图3所示，所述基板10上另设有一散热环40，所述芯片20位于所述散热环40之内部空间中，并且所述散热环40通过导热胶50的黏着固定于所述基板10及所述散热片30之间。再者，所述芯片20与所述散热片30之间包含一热界面材料60。综上所述，石墨烯是一种良好的特殊热导体，其二维xy平面方向的导热系数远高于Z方向的导热系数，因此运用石墨烯与低熔点金属组成热界面材料60，可使所述芯片20与所述散热片30之间的平面性及侧向热传导效率提高，有利于均匀导热或侧向导热，且成本相对于使用纯铟(Indium)作为热界面材料能更为降低。另外，为了避免因热造成的翘曲(Warpage)现象及能有效降低芯片接合点温度，故使用石墨烯与硬度较软的菲尔德合金的热界面材料，也能有效提高热传导效率。再者，图3实施例揭示的是一种具有散热环的半导体封装结媾，然而本发明并不限于此，本发明中的热界面材料60也能应用于其它的具有散热片的封装构造，例如不具有散热环的散热片、具有散热鳍片的散热片或具有散热片的堆栈式半导体封装构造等。请参照图4所示，图4是本发明另一实施例的具有热界面材料的半导体封装结构 的侧剖视图。本实施例揭示的是一种堆栈式的半导体封装构造，所述封装构造包括一基板10a、一间隔板(interposer) 10b、一第一芯片20a、一第二芯片20b, —散热片30a、一散热环40以及散热胶50。如图4所示，所述基板IOa的下表面具有多个焊球IIa做为对外电性连接结构。所述间隔板IOb设于所述基板IOa上，其下表面具有多个凸块Ilb以与所述基板IOa的上表面电性连接。再者，所述第一芯片20a可为逻辑芯片(Logical Die)，其以倒装芯片的方式设于所述间隔板IOb上；所述第二芯片20b可为记忆体芯片(Memory Die)，其以倒装芯片的方式设于所述间隔板IOb上。所述散热环40设于所述基板IOa上，其包围所述所述间隔板10b、所述第一芯片20a及所述第二芯片20b。所述散热环40通过所述散热胶50连接其下方的所述基板10a。所述封装构造另包含一热界面材料60a,所述热界面材料60a是由一石墨烯层及二低熔点金属层组成的一迭层构造。所述热界面材料60a夹设于所述第一芯片20a及所述第二芯片20b与所述散热片30a之间。另外，所述热界面材料60a更向各侧方向延伸至所述散热环40与所述散热片30a之间以直接地接触所述散热环40。由于石墨烯的热传导具有异向性其z方向的热传导为15W/mK，其X-Y平面的热传导可高达5300W/mK，因此，当使用具有热传导异向性的石墨烯层61做为X-Y平面热传导时，可迅速的将所述所述第一芯片20a及所述第二芯片20b (特别是运作时产生高温的所述第一芯片20a)所产生的热量沿所述热界面材料60a的水平方向朝向各侧边以直接地导出至所述散热环40，并且再经由所述散热环40及散热片30a散出热量至外部大气。因此，相较于现有的半导体封装结构中的芯片四周可能因封装存在空气而形成热阻(Thermal Resistance),本实施例通过具有异向导热特性的所述热界面材料60a,将芯片20a, 20b所产生的热由侧方向导出，提高芯片的热导出效能，同时也提高整体的散热效能，且成本相对于使用纯铟作为热接合材料能更为降低。本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反的，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
权利要求
1.ー种热界面材料，其特征在干所述热界面材料包含 一石墨烯层；及 ニ低熔点金属层，以上下配置方式包覆着所述石墨烯层。
2.如权利要求I所述的热界面材料，其特征在于所述低熔点金属层的材料为菲尔德I=I O
3.如权利要求I所述的热界面材料，其特征在于所述低熔点金属层的熔点介于150°C至 230 0C ο
4.如权利要求I所述的热界面材料，其特征在于所述石墨烯层的厚度介于45微米至100微米，所述低熔点金属层的厚度介于50微米至250微米。
5.ー种具有热界面材料的半导体封装结构，所述半导体封装结构包含一基板、设于所述基板上的一芯片以及设于所述芯片上的一散热片，所述半导体封装结构的特征在干所述芯片与所述散热片之间包含ー热界面材料，所述热界面材料包含 一石墨烯层 '及 ニ低熔点金属层，以上下配置方式包覆着所述石墨烯层。
6.如权利要求5所述的半导体封装结构，其特征在于所述基板上另包含一散热环，所述散热环包围所述芯片，并设于所述基板及所述散热片之间。
7.如权利要求5所述的半导体封装结构，其特征在于所述热界面材料侧向延伸至所述散热环与所述散热片之间。
8.如权利要求5所述的热界面材料，其特征在于所述低熔点金属层的材料为菲尔德I=I O
9.如权利要求5所述的热界面材料，其特征在于所述低熔点金属层的熔点介于150°C至 230 0C ο
10.如权利要求5所述的热界面材料，其特征在于所述石墨烯层的厚度介于45微米至100微米，所述低熔点金属层的厚度介于50微米至250微米。
全文摘要
本发明公开一种热界面材料及半导体封装结构，所述半导体封装结构包含一基板、一芯片及一散热片。所述芯片设于所述基板上，所述散热片设于所述芯片上。所述芯片与所述散热板之间包含所述热界面材料，所述热界面材料包含一石墨烯层及二低熔点金属层，所述二低熔点金属层以上下配置方式包覆着所述石墨烯层。本发明通过高导热系数的石墨烯材料，使所述芯片与所述散热片之间的平面性热传导效率能提高，且成本相对于使用纯铟作为热界面材料能更为降低。
文档编号B32B15/04GK102867793SQ201210288
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者李炳仁, 蔡宗岳, 高金利, 杨金凤 申请人:日月光半导体制造股份有限公司